基于數據挖掘的燃煤電廠濕法脫硫系統優化方法

張洪兵，吳炳坤，趙 偉，趙志忠，張真龍

（貴州烏江水電開發有限責任公司大龍分公司，貴州 銅仁 554300）

引言

燃煤火電機組發電產生的煙氣中含有大量的二氧化硫和氮氧化物，是我國SO2的主要排放源之一。近年來，隨著國家對環保要求的提高和超低排放標準的實施，環保問題成為燃煤電廠又一道不能逾越的紅線。在我國得到廣泛推廣的脫硫工藝大體可分為三類：一是干法脫硫，其代表是近年來在新建鋼鐵項目得到普及的活性焦脫硫工藝；二是半干法脫硫，其代表是循環流化床工藝，該路線在目前的脫硫改造項目中較為常見；三是濕法脫硫工藝，其代表是石灰石-石膏法脫硫工藝，該工藝在國內燃煤電廠、鋼鐵廠最為常見，是目前國內應用最普及的脫硫工藝。

與其他脫硫工藝相比，石灰石-石膏法脫硫工藝技術相對成熟，在脫硫效率高和脫硫反應速率方面也要比其他工藝高效，可以適應不同煤種。但是歸根結底，脫硫系統對電廠來說，本身就是一個純投入無經濟回報的項目，在保證環保達標的同時，增加了火電企業的運營成本，近幾年尤其是雙碳政策提出后，燃煤價格上漲明顯，火電企業運營艱難。因此，如何在避免高投入改造的情況下，進一步挖掘系統的潛能，提高脫硫系統運行水平，是管理者不得不面對的課題。

脫硫系統優化的本質就是如何在保證增加脫硫效率的同時降低脫硫成本，這是很多燃煤電廠和相關學者正在研究的課題。何望飛等針對脫硫系統的運行，闡述了系統相對生產成本，并結合某電廠的實際運行情況，提出了針對脫硫系統在幾種特定工況下，如何降低運行成本的優化建議。李興華等結合脫硫系統，主要從最初的系統設計、實際運行中的情況、后期的升級等不同方面分別闡述了脫硫系統節能改造的要點，并給出了相關技術建議。牛擁軍等采用實驗測量的方法，從漿液循環泵、pH值及石膏脫水系統等幾大主要影響因素，對脫硫優化進行了探究。本文介紹了基于數據挖掘的脫硫優化的基本原理和功能，為脫硫優化系統的研究提供相關依據和指導方案。

1 影響脫硫系統脫硫效率的主要因素

在脫硫系統運行階段，系統的脫硫效率受多方面的因素影響，主要可以歸結為三個方面：一是與系統煙氣相關的運行參數，如煙氣流量、煙氣中的含硫量、煙氣溫度、煙氣氧含量等；二是與脫硫劑質量相關的參數，如所用石灰石在水中的溶解性、有效鈣含量、石灰石顆粒粒度等；三是系統運行中的控制參數，如pH值漿液密度等。在脫硫優化系統中，最主要的參數為二氧化硫濃度、鍋爐負荷、煙氣量、煙氣溫度、漿液pH值、漿液密度、漿液循環量等。

1.1 SO2濃度

相關研究表明，煙氣中二氧化硫的濃度越高，其二氧化硫分子向吸收液液滴內部傳質的速率越快，增加脫硫反應的反應速率，進而會提高脫硫系統的脫硫效率，但是兩者之間的關系并不成正比，隨著脫硫劑液滴飽和度的變化，其脫硫反應速率也隨之降低，加之煙氣中二氧化硫和脫硫劑的接觸時間較短，脫硫系統存在滯后性，因此在實際運行過程中，如果煙氣中二氧化硫濃度變化區間過大，極易造成超標現象。

1.2 煙氣溫度

因為脫硫反應本質上屬于酸堿中和的放熱反應，因此脫硫系統吸收塔進口煙氣溫度的高低將直接影響整體脫硫效率，理論上來說，在合適的溫度范圍內，吸收塔入口煙溫度越低，吸收效率越高，溫度升高，會阻止放熱反應的進行，因此脫硫反應速率會變慢，導致二氧化硫脫除速度變慢。

1.3 鍋爐負荷和煙氣量

鍋爐負荷的變化直接影響煙氣量和煙氣溫度的變化，而煙氣量的變化一方面對入口二氧化硫的總量有影響，另一方面，在其他參數不變的情況下，系統煙氣量的變化也會改變煙氣流速。理論上，煙氣流速的增加，對脫硫效率的正負影響均有。正面影響是煙氣流速增加削弱了二氧化硫和漿液液滴的膜厚度，提高了二氧化硫與脫硫漿液氣液兩相相對湍流程度，增加了兩相間的傳質系數，增加了脫硫反應速率；負面影響是，煙氣流速的增大，將會在一定程度上降低二氧化硫與脫硫漿液的接觸時間，進而影響脫硫系統的脫硫效率。實際運行過程中，鍋爐負荷和煙氣量的變化，尤其是增加時，脫硫效率往往會降低，造成凈煙氣中二氧化硫的含量過高，甚至有超標的情況發生。

1.4 漿液pH值

因為脫硫反應在化學上屬于酸堿中和反應，因此脫硫漿液pH值對脫硫系統的脫硫效率起著決定性的作用，而在實際運行中，pH值也是重要控制參數之一。在不考慮其他影響的情況下，漿液pH越大，二氧化硫的脫除速率越快，脫硫效率也就越高。但是，相關研究表明，漿液pH值的高低對脫硫產物的生成和溶解度有很大的影響，如果運行中將pH值控制得過高，脫硫漿液會在吸收塔內產生結垢，吸附在塔壁和塔內部件上，造成噴淋堵塞等，影響機組運行安全，另外如果漿液pH值保持過高值運行也會增加脫硫劑的消耗，增加運行成本。

1.5 漿液密度

脫硫反應在吸收塔內的產物是亞硫酸鈣和硫酸鈣，其中亞硫酸鈣占主要部分，由于這兩種物質的溶解度有限，因此一旦漿液超過其飽和值后，就會形成晶體析出，在塔內形成固體的石膏，同時析出的晶體還會附著在未反應的脫硫劑表明，降低其反應活性和利用率，從而降低脫硫效率。因此漿液密度也是在運行中控制的重點參數之一。

1.6 漿液循環量

由于在吸收塔上部噴淋的石灰石漿液與由下而上的系統煙氣在脫硫塔內發生反應時，漿液中的碳酸鈣并不能完全反應，因此塔內漿液需要利用循環泵多次循環至噴淋裝置，讓漿液充分吸收煙氣中的硫氧化物，從而提高漿液的利用率。理論上，脫硫漿液在合理的密度范圍內，漿液的循環量越多，越有利于脫硫反應的進行，脫硫石灰粉的利用率和脫硫效率也會越高，但是過多的漿液循環量會增加漿液循環泵的運行負荷，增加設備運行費用，因此合適的漿液循環量對控制脫硫成本有著重要的作用。

2 現行脫硫系統存在的缺點

1）系統對二氧化硫的控制有滯后性。在大多電廠中，脫硫系統與生產運行相對獨立，脫硫運行人員往往只能根據系統中各個測點的二氧化硫的含量來進行調整，而各測點信息尤其是上傳數據存在一定的滯后性，當遇到極端工況或二氧化硫含量急劇增加時，往往會因操作不夠迅速而造成超標。

2）來煙成分無法預測。當鍋爐負荷調整或者煤種變換時，煙氣中二氧化硫的含量也會發生變化，脫硫運行人員往往不能準確地判斷這種變化趨勢，也就無法作出及時有效的調整，只能根據現場情況被動調整。

3）過分壓低出口排放數值。為了彌補上述不足，大部分脫硫系統都靠壓低出口排放數值來彌補，留出大量余量防止因不可預測的情況造成出口超標。例如漿液泵或者漿液循環泵的供漿量遠遠大于實際所需的供漿量，出口二氧化硫的標準是35 mg/m3,實際控制中大部分時間不超20 mg/m3。這就造成了脫硫劑和電耗的過度消耗，造成運行成本的增加。

3 基于數據挖掘的脫硫優化系統

近年來，隨著信息技術和大數據的不斷發展，高性能實時/歷史數據庫在電力行業的應用越來越廣泛，這也就使得人們可以對生產數據進行更加深入分析，發現這些歷史數據的價值和數據背后隱藏的重要信息，從而充分利用機組的歷史運行數據，也就促進了數據分析技術的發展。數據挖掘就是一種對大量歷史數據進行更深入的分析和處理的技術。

數據挖掘也被稱為知識發現，其目的是借助數學分析的手段，在海量歷史數據中找出那些可信、有效、可用的數據。數據挖掘是近幾年新興的一門熱點交叉學科，它融合了數據庫統計學、人工智能以及管理信息系統等各學科的成果。例如將數據挖掘引入到工廠設備故障診斷中來，從累積的海量數據中發現潛在的某些特征表征，并和某些故障相關聯，建立全新的故障診斷規則，可以帶來巨大的經濟效益和社會效益并且其可靠性和價值在很多領域已經得到了驗證。

脫硫優化系統在滿足達標排放的前提下，總體目標是使脫硫系統運行的經濟性達到最優。其基本原理是采用神經網絡、聚類分析等數據挖掘算法，對歷史數據中的機組負荷、煙氣量、煙氣溫度、污染物濃度等經行深度尋優，尋找出不同工況下pH值、漿液循環泵組合方式、漿液密度、液位等參數的最優值，形成實時的輔助決策支持，來指導當前工況的運行，可以實現以下功能：

3.1 提供小時均值指導

脫硫運行優化系統可以實時計算機組當前小時內的污染物小時均值，并在系統內直觀展示小時均值超標情況，給出當前小時段內剩余時間的排放區間指導，并根據漿液循環泵的大小，推薦當前狀況下最節能的循環泵組合方式，確保達標排放的同時降低系統消耗見下頁圖1。

3.2 全流程關聯分析

脫硫運行優化系統打破信息壁壘，將機組運行信息串聯起來，考慮整個機組運行參數的變化對脫硫系統運行的影響。當機組運行出現可能導致出口二氧化硫大范圍變化的情況時，例如機組負荷變化、煤種變化、煙氣量變化等，系統發出運行預警，并提供相應的調整措施見圖2。

4 結論

文章介紹了燃煤電廠脫硫系統的運行現狀，從機組運行和控制參數的角度分析了影響脫硫系統脫硫效率的關鍵因素和具體影響機理，指出了現行脫硫系統在實際運行中存在的一些弊端，介紹了基于數據挖掘的脫硫優化系統的基本原理和基本功能，為脫硫系統降本增效提供了一種新思路。